染料敏化太阳能电池中的敏化剂

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的太阳能电池。染料敏化剂的性能对DSSC的光电转换效率有重要的影响,要获得高的光电转换效率需要有高效、稳定的染料敏化剂。本文介绍了近年来染料敏化剂的设计合成,并讨论了各种敏化剂的优缺点及发展方向。     

基于不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂的合成与光伏性能

本文合成了含3种不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂(H1,H2和H3),并将其应用于二氧化钛纳米晶染料敏化太阳能电池.系统地研究了3种染料的光物理、电化学和光伏性能.基于H1的染料敏化太阳能电池获得了9.10%的光电转换效率(Voc=0.72V,Jsc=18.03mAcm-2,FF=0.70).     

染料敏化太阳电池钌系敏化剂

钌系敏化剂是染料敏化太阳电池（DSSC）研究最早也最成功的敏化剂类型之一,最高光电转换效率已达到11%以上。研究总结钌系敏化剂的结构、谱学性质、电化学性质与其光电转换性能之间的构效关系,对于设计合成新的具有更高性能的敏化剂、推进DSSC的实用化进程具有十分重要的意义。本文综述了钌系敏化剂的研究进展,将这类敏化剂按结构和性质进行分类,讨论了其分子结构、电子结构、谱学性质、电化学性质对其光吸收能力、电子注入效能、电荷传输与复合等因素的影响,并对其光电转换性能进行了详细评述,总结了其结构与光电转换性能之间的构效关系,概括了高效钌系敏化剂的结构特征,为更高效敏化剂的设计合成提供了有价值的参考。     

电沉积法制备固态染料敏化太阳能电池

本文采用一步电化学沉积的方法在导电玻璃上先后沉积了ZnO/染料复合薄膜以及CuSCN薄层,实现仅以电沉积法制备结构为ZnO/染料/CuSCN的固态染料敏化太阳能电池,电池的光电转换效率达到0.1%.在电沉积CuSCN前,脱附电沉积制备的ZnO/染料复合薄膜中的染料以形成多孔ZnO薄膜,然后通过染料再吸附得到染料敏化ZnO纳晶多孔薄膜.在电沉积过程中,ZnO和CuSCN的晶体尺寸、晶体取向和膜层形貌都可以进行比较精准的控制.探讨了影响沉积薄膜形貌和光电转换效率的因素,如旋转圆盘电极的旋转速度、电沉积温度以及染料敏化剂的选择.本文报道的低温电沉积制备全固态太阳能电池的方法为制备柔性染料敏化太阳能电池提供了一种新的思路.     

染料敏化纳米晶太阳能电池中敏化剂的研究进展

染料敏化剂是染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)的重要组成部分,对电池性能有着重要的影响。本文将染料敏化剂分为有机金属配合物和纯有机化合物两大类,综述了这两类敏化剂的研究现状,同时讨论了其结构对光电转化效率的影响机理。     

具有推拉电子结构卟啉染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

将N,N’-二-(9,9’-二己基芴)胺作为电子供体引入具有推拉电子结构的卟啉染料中,设计合成了2个新的染料敏化太阳能电池(DSSCs)敏化剂WP-1和WP-2。利用核磁共振氢谱和高分辨质谱对染料结构进行了表征。测试了染料的紫外-可见吸收光谱。将其应用于染料敏化太阳能电池中,在模拟太阳光(100×10-3W/cm2)照射下,染料WP-1和WP-2敏化电池的能量转换效率分别达到了4.01%和7.07%。WP-2敏化的电池封装后经自然光照射500 h后,光电效率仍能维持在初始效率的98%以上。说明N,N’-二-(9,9’-二己基芴)胺作为电子供体,很适合推拉电子结构的卟啉染料。不仅丰富了用于卟啉染料的电子供体的种类,也为进一步将二芴胺衍生物引入到卟啉染料中的研究奠定了基础。     

近红外菁染料敏化的准固态太阳电池的光电化学研究

一个新型的近红外五甲川菁染料敏化剂(Cy)通过3,3-二甲基-1-乙基-2-[4-(N-苯乙酰氨基]-1,3-丁二烯-1-基]-3H-苯并[e]吲哚碘盐和5-羧基-1-丁基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚碘盐的Knoevenagel缩合反应合成, 其结构用核磁、质谱和紫外等方法进行了确定; 使用疏水性气相法纳米SiO2 R974固化1-丁基-3-丙基咪唑碘离子液体制备了一种新的准固态电解质, 将其应用于菁染料(Cy)敏化的太阳电池, 对该染料敏化的准固态太阳电池的光电化学性能进行了研究. 在AM1.5G标准光源下, 得到1.49%的光电转换效率. 此方法对拓展准固态染料敏化太阳电池的研究具有一定的意义.     

以苯并噻二唑为辅助受体的N-苯基咔唑类染料敏化剂的合成及光伏性能

以N-苯基咔唑为电子给体,苯并噻二唑为辅助电子受体,噻吩或苯为π桥,氰乙酸或罗丹宁乙酸为键合受体,设计合成了四个N-苯基咔唑类染料敏化剂.对所合成的染料敏化剂的光谱性能和光电转换性能进行了研究.以氰乙酸为受体的染料敏化剂尽管最大吸收波长和摩尔吸光系数较以罗丹宁乙酸为受体的染料敏化剂低,但由于其电子注入效率高,导致其光电流和光电压均较优.以苯环为桥键的染料敏化剂较以噻吩环为桥键的染料敏化剂具有更好的光电流和光电压,因此四种染料敏化剂中,以苯基作为桥键,氰基乙酸作为受体的染料敏化剂获得较佳的光电转换效率5.28%(J_(SC)=9.14 mA/cm~2,V_(OC)=0.74 V,FF=0.78).     

2种三聚茚基三芳胺染料的合成及其光伏性能

以三聚茚基三芳胺为给电子单元,以绕单宁-3-乙酸为受电子单元,设计合成了2种三聚茚基三芳胺染料六乙基三聚茚胺饶丹宁乙酸(MXD8)和六乙基三聚茚胺环氧噻吩饶丹宁乙酸(MXD9)。 光学测试表明,该类染料光谱响应范围宽,摩尔吸光系数高。 结合2种染料的紫外-可见光谱和循环伏安曲线,确定了染料的电子基态和激发态能级位置。 结果表明,2种染料的能级位置符合染料敏化太阳能电池的要求。 将它们用作染料敏化太阳能电池中的光敏化剂,在AM1.5-100×10-3 W/cm2的光强下,MXD8敏化电池的开路电压(VOC)为614 mV,短路电流密度(JSC)为5.76×10-3 A/cm2,填充因子(FF)为0.66,总光电转换效率为2.33%。 尽管MXD9引入3,4乙撑二氧噻吩作为共轭桥,其光电转换效率却较MXD8低（1.27%）。 阻抗测试表明,MXD9光电转换效率较低的原因主要是电子更容易复合。 该结果表明,电子复合可能与分子共轭体系增大导致极化率增加有关。     

两种菁类染料复合敏化TiO_2纳米晶电极的光电化学研究

应用光电化学方法研究了两种菁类染料Cy3和Cy5复合敏化TiO2纳米晶电极的光电化学行为.结合两种染料的紫外-可见光谱和循环伏安曲线,确定了Cy3和Cy5的电子基态和激发态能级位置.结果表明两种染料的激发态能级位置能与TiO2纳米粒子导带边位置相匹配,复合敏化可以显著提高TiO2纳米晶的光电流,使TiO2纳米晶电极吸收波长由紫外光区红移至可见光区和近红外区.复合敏化降低了染料Cy3 在电极吸附时的聚集程度,使其单色光的转换效率(IPCE)提高了169%,复合敏化电极总的光电转换效率η为2.09%,分别是Cy3和Cy5单独敏化时光电转换效率的2.069 和1.229倍.     

两种菁类染料复合敏化TiO2纳米晶电极的光电化学研究

应用光电化学方法研究了两种菁类染料Cy3和Cy5复合敏化TiO2纳米晶电极的光电化学行为. 结合两种染料的紫外-可见光谱和循环伏安曲线, 确定了Cy3和Cy5的电子基态和激发态能级位置. 结果表明两种染料的激发态能级位置能与TiO2纳米粒子导带边位置相匹配, 复合敏化可以显著提高TiO2纳米晶的光电流, 使TiO2纳米晶电极吸收波长由紫外光区红移至可见光区和近红外区. 复合敏化降低了染料Cy3在电极吸附时的聚集程度, 使其单色光的转换效率(IPCE)提高了169%, 复合敏化电极总的光电转换效率η为2.09%, 分别是Cy3和Cy5单独敏化时光电转换效率的2.069和1.229倍.     

染料敏化纳米薄膜太阳电池中的染料敏化剂

简要介绍了化学太阳电池的原理和染料敏化剂的发展历史,将现有染料敏化纳米薄膜太阳电池(简称DSCs)中的染料敏化剂分为有机和无机两大类,详细介绍了其中的羧酸多吡啶钌、膦酸多吡啶钌、多核联吡啶钌染料和有机染料的研究进展;介绍了其它染料敏化剂和多种染料协同敏化的研究现状;评述了染料敏化剂在染料敏化纳米薄膜太阳电池中应用的研究进展。     

有机染料D-SS和D-ST用于染料敏化太阳能电池光敏剂的比较

为了揭示D-SS和D-ST分子敏化的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的物理机制,采用密度泛函理论(DFT)、含时密度泛函理论(TDDFT)和自然键轨道(NBO)分析,模拟计算染料D-SS和D-ST分子的结构、紫外-可见吸收光谱和能级结构.D-SS的紫外-可见吸收光谱相比于D-ST的有明显的红移,而且D-SS分子的摩尔吸光系数也高于D-ST分子的.D-SS分子本应该比D-ST分子拥有更高的俘获太阳辐射光子的能力,但由于D-SS分子的最高占据分子轨道(HOMO)能级位置比氧化还原电解质(|-/|-3)的氧化还原能级高,处于光激发态的D-SS分子向TiO2电极注入电子而被氧化后,不能顺利地从电解质中得到电子而还原,使得D-SS分子俘获光子的能力不能充分发挥,从而严重地降低了由其敏化的DSSCs的光电性能和光电能量转换效率.揭示了D-SS敏化的DSSCs的光电性能,特别是光电能量转换效率比D-ST敏化的DSSCs的低的原因.染料敏化剂分子的HOMO能级的位置对于DSSCs来说也是很重要的,用于DSSCs的有机敏化剂分子的HOMO能级的位置必须低于氧化还原电解质的氧化还原能级.     

有机染料及其在染料敏化太阳电池中的应用

在染料敏化太阳电池中,染料敏化剂分成无机染料与有机染料两大类。无机染料受稀有金属钌的制约而成本较高,开发有机染料是降低染料敏化太阳电池成本的有效手段,成为目前研究的热点。本文从有机染料敏化剂的分子设计入手,简述了染料敏化太阳电池中有机染料敏化剂的基本结构,将有机染料敏化剂分为吲哚啉类染料、香豆素类染料、三苯胺类染料、菁...     

方酸染料在染料敏化太阳能电池及氰离子检测中的应用研究

<正>染料敏化纳米晶二氧化钛太阳能电池制备简单、成本低、光电转换效率高,已成为当前光电转换器件研究的热点之一.但目前还有许多制约染料敏化太阳能电池光电转换效率的问题有待解决.基于目前染料敏化太阳能电池在长波区采光不足的问题,本论文深入研究了在红光区域具有强吸光能力的方酸类染料在染料敏化太阳能电池中的应用,重点考察了方酸染料的结构对其光电转换性质的影响,并开辟了一种协同敏化新技术,还利用方酸染料的β-环糊精包合物实现了水溶液中氰根离子的高选择性检测.具体研究结果如下:     

含二级供电基团的三苯胺类光敏染料合成及太阳能电池中的应用

以N,N-二甲基苯胺作为二级给电子单元, 合成两种具有不同长度共轭链的三苯胺类光敏染料XS19和XS22. 研究了它们的光物理与光电化学性质, 并将它们用作TiO₂纳米晶电极的光敏化剂引入太阳电池, 结果表明, N,N-二甲基苯胺的引入能够抑制染料敏化太阳能电池中的电子复合, 提高电池的光电转换效率. XS22表现出更好的光伏性能, 在AM1.5 (100 mW•cm^－2)的光强下, XS22敏化电池的开路电压(V_OC)为685 mV, 短路电流密度(J_SC)为9.6 mA•cm^－2, 填充因子(FF)为0.72, 总光电转换效率为4.7%.     

染料敏化太阳能电池用敏化剂

染料敏化太阳能电池是太阳能电池的重要发展方向之一,染料敏化剂是影响电池光电转换效率的重要组分,也一直是太阳能电池材料的研究热点.经过20多年的研究,现已开发的光敏染料主要有金属配合物染料和纯有机染料两大类.本文依据染料结构特征,将金属配合物染料分为钌的多吡啶配合物、其它金属(如Os、Pt)的多吡啶配合物、卟啉及酞菁类配...     

全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.     

卟啉、酞菁共敏化二氧化钛纳米电极

研究了染料对锌卟啉-氢卟啉(ZnTSPP-H~2TSPP)、锌卟啉-镓酞菁(ZnTSPP-GaTSPc)共敏化二氧化钛纳米电极的光电转换特性和H~2TSPP,GaTSPc在电极表面的聚集态对光电转换的影响,共敏化显著提高了电极的光电转换并产生了混合效应。提出了低占据电荷转移的共敏化机理。     

理论研究π桥对C217染料光伏性质的影响

本文以C217染料为母体结构,通过改变π桥联基团的种类、数量、连接方式,设计了一系列结构新颖的染料敏化剂,利用密度泛函理论方法(DFT)结合不连续的电荷跳跃模型研究了所设计染料的电子结构、光学吸收及光伏性质。理论预测C217的光电转化效率达到了9.50%,与其实验值比较接近(9.80%)。而染料7具有较高的短路电流密度(21.144 mA·cm~(-2))、开路电压(0.760 V)、填充因子(0.762)光电转换效率为12.31%,证明染料7是一种潜在的高效染料敏化剂,值得进一步实验研究。